閆 壘 石爽爽

（黃河交通學(xué)院,河南 焦作 454000）

寧夏回族自治區(qū)地處中國(guó)西北部，位于北緯35°14′—39°23′，東經(jīng)104°17′—107°39′，溫帶大陸性氣候，屬季節(jié)性凍土區(qū)，平均海拔1 000 m以上，全區(qū)被大量黃土所覆蓋，在工程實(shí)踐中所遇到的大多數(shù)土為非飽和土，滑坡、地基不均勻沉降災(zāi)害多發(fā)。作為大量工程建設(shè)的地基，黃土經(jīng)過凍融后力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜[1]，針對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)的黃土凍融強(qiáng)度特性、變形[2]已有大量研究，采用的試驗(yàn)方法不同，得出的結(jié)論不盡相同。有的研究發(fā)現(xiàn)黃土經(jīng)過凍融后強(qiáng)度降低，同時(shí)含水率有小幅減少[3-4]。有的研究則發(fā)現(xiàn)經(jīng)過凍融后土體強(qiáng)度有增大趨勢(shì)，不同凍結(jié)溫度梯度對(duì)黏聚力有不同的劣化影響[5]。經(jīng)過凍融后的土體物理、力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，這種長(zhǎng)期的凍融循環(huán)不僅造成地基的不均勻沉降，而且嚴(yán)重危及人們的財(cái)產(chǎn)安全[6]。土體凍結(jié)時(shí)，上部土體中的水分結(jié)冰，下部水分向凍結(jié)鋒面遷移，土體凍脹，融化后水分由于重力作用及分子間作用力向下部遷移，導(dǎo)致融沉現(xiàn)象[7]。崔自治研究發(fā)現(xiàn)土體的孔隙比小于界限孔隙比的土凍縮，大于界限孔隙比的土凍脹，等于界限孔隙比的土既不凍縮也不凍脹，土中水分的存在形式是影響土體強(qiáng)度的重要因素，在非飽和土中，基質(zhì)吸力為主要的參數(shù)，土水特征曲線用來描述土體吸力與含水量之間的關(guān)系[8]。林鴻州對(duì)非飽和土進(jìn)行了研究，得出無黏性土在邊界效應(yīng)不產(chǎn)生假凝聚力，對(duì)于過渡區(qū)與非飽和殘余區(qū)，內(nèi)摩擦角隨著吸力的增加而增加[9]。李國(guó)玉對(duì)凍融后的原狀黃土和重塑黃土進(jìn)行剪切試驗(yàn)，得出原狀黃土和重塑黃土抗剪強(qiáng)度均減小，黏聚力減小，內(nèi)摩擦角增大[10]。凍融具有明顯的區(qū)域性，目前對(duì)于寧夏黃土的凍融少有研究，深入研究寧夏黃土凍融后的強(qiáng)度特性具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用黃土來自寧夏回族自治區(qū)吳忠市同心縣，黃土的密度r=1.56 g/cm3，含水率w=0.4，土粒相對(duì)密度ds=2.72，塑限Wp=15.0%，液限WL=27.2%，塑性指數(shù)Ip=12.2，最大干密度ρdmax=1.76g/cm3，最優(yōu)含水率wopt=15.0%。粒徑分布見圖1，0.075 mm～0.005 mm的粉粒占82.9%，黏粒含量較少，有少量的砂粒。圖2為黃土XDR分析，表1為黃土的主要化學(xué)成分表，SiO2占39%，Na2O占比22.5%，其余各成分占比較少。圖3、圖4分別為光電顯微鏡下放大500倍和1 000倍的同心黃土顆粒形態(tài)，形態(tài)以粒狀為主。

表1 黃土的主要化學(xué)成分/%

圖1 粒徑分布

圖2 黃土XDR分析

圖3 同心黃土的顆粒形態(tài)（500倍）

圖4 同心黃土的顆粒形態(tài)（1 000倍）

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)土樣嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）配制，將土樣過2 mm篩用于制作試驗(yàn)土樣，用蒸餾水按照實(shí)驗(yàn)方案配置一定的飽和度，通過壓樣器將土樣壓制環(huán)刀內(nèi)，環(huán)刀高20 mm，高61.8 mm。將制備好的環(huán)刀試樣用保鮮膜包裹以防水分散失。以壓實(shí)度λc和飽和度Sr為因素，設(shè)計(jì)L16(45)正交試驗(yàn)方案，e1、e2、e3為誤差列，如表2所示，每組8個(gè)平行試樣，每組4個(gè)試樣放到低溫試驗(yàn)箱中凍融循環(huán)，凍結(jié)溫度采用寧夏歷年最低氣溫-28 ℃，融化溫度20 ℃，每個(gè)凍融循環(huán)48 h，凍結(jié)24 h，融化24 h。凍融后采用應(yīng)變控制式電動(dòng)直剪儀對(duì)未凍融和凍融穩(wěn)定后的試樣進(jìn)行快剪試驗(yàn)，在50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa共4個(gè)荷載下測(cè)其強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ。凍脹率、融沉系數(shù)、黏聚力以及內(nèi)摩擦角計(jì)算公式如下：

式（1）中：η—凍脹率（%）；

Δhf—試樣的凍脹量（mm）；

h0—試樣原高度（mm）；

式（2）中：δ—融沉系數(shù)（%）；

Δhf—試樣的融沉量（mm）；

h0—試樣初始高度（mm）；

式（3）中：

f—剪切破壞面上的剪應(yīng)力，即土的抗剪強(qiáng)度（kPa）；

σ—破壞面上的法向壓力，取為100 kPa、200 kPa、300 kPa與400 kPa；

φ—黃土的內(nèi)摩擦角（°）；

c—土的黏聚力（kPa）。

2 結(jié)果與分析

直剪試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，表2中c為壓實(shí)度，Sr為飽和度，e1、e2、e3為誤差列，表中η為壓實(shí)黃土的凍脹率，d為壓實(shí)黃土的融沉系數(shù)。c0為凍融試驗(yàn)前試樣的黏聚力，試樣凍融循環(huán)30次后其凍融變形已穩(wěn)定，cs表示試樣凍融變形穩(wěn)定時(shí)的黏聚力，Δc為試樣凍融穩(wěn)定后黏聚力與凍融前試樣黏聚力的差值，φ0為凍融試驗(yàn)前試樣的內(nèi)摩擦角，φs為試樣凍融變形穩(wěn)定時(shí)的內(nèi)摩擦角，Δφ為試樣凍融穩(wěn)定后內(nèi)摩擦角與凍融前試樣內(nèi)摩擦角的差值。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

2.1 試驗(yàn)分析

凍融前的試樣表面光滑，凍融后的試樣表面略顯粗糙，且含水率有少量減少，在配制試樣過程中，試樣的水分在空氣中有少量蒸發(fā)，同時(shí)做試驗(yàn)過程中也會(huì)有少量水分散失在儀器上，凍融后土體顆粒間水分重分布，凍融30次后測(cè)得含水率減少約1.8%，凍融過后試樣的黏聚力明顯下降。試樣飽和度越小，土顆粒間空隙越小，土粒間黏結(jié)力大，土的抗剪強(qiáng)度越大，飽和度越大的試樣，導(dǎo)致基質(zhì)吸力變小，由于水壓及水分子間的作用試樣的空隙大，顆粒間黏結(jié)力較弱，抗剪強(qiáng)度越小。凍結(jié)過程中，土體中的有未凍結(jié)水的存在，與含水率大的試樣相比，含水率小的試樣體積變化小。

非飽和凍土黏聚力由融土的初始黏聚力、毛細(xì)黏聚力以及冰膠結(jié)作用組成。未凍水含量越低，土中基質(zhì)吸力增大導(dǎo)致毛細(xì)黏聚力增強(qiáng)，冰膠結(jié)作用是控制凍土強(qiáng)度主要因素，含水率越大，未凍結(jié)水越少，膠結(jié)的土顆粒越多，融化后的土中也有凍結(jié)冰的存在，凍結(jié)冰越多，抗剪強(qiáng)度越大。

凍融前與凍融穩(wěn)定后黏聚力與壓實(shí)度的關(guān)系。飽和度為定值時(shí)，壓實(shí)度越大的試樣，土粒排列越緊密，土體越密實(shí)，土顆粒間空隙越小，在剪切過程中，有垂直荷載和剪切盒的約束，土體中間部位的破壞會(huì)向上微微隆起，含水率越小的試樣，土體中弱結(jié)合水隨含水率降低而降低，對(duì)土體潤(rùn)滑作用減弱，基質(zhì)吸力越大，從而顆粒間黏聚力越大，土體抗剪強(qiáng)度變大。

凍融前與凍融穩(wěn)定后內(nèi)摩擦角與飽和度的關(guān)系，圖中顯示無論是凍融前還是凍融后，土體的內(nèi)摩擦角均呈現(xiàn)近似直線減小的趨勢(shì)。表2中的結(jié)果顯示經(jīng)過凍融后的內(nèi)摩擦角相比凍融前的要小，最大值達(dá)到2.1°，相比凍融前的試樣，凍融后的土體在相同飽和度的條件下，不同壓實(shí)度間的內(nèi)摩擦角差值較小。曲線更為集中。

凍融前與凍融穩(wěn)定后的內(nèi)摩擦角與壓實(shí)度的關(guān)系，原始土樣的內(nèi)摩擦角與壓實(shí)度成近似直線的增長(zhǎng)關(guān)系，最大內(nèi)摩擦角達(dá)到30.2°；凍融穩(wěn)定后的內(nèi)摩擦角曲線相對(duì)原始土樣增長(zhǎng)緩慢，凍融對(duì)土體破壞較為嚴(yán)重，凍融過后的內(nèi)摩擦角最大值為29.4°，破壞最為嚴(yán)重的為G16組試樣，壓實(shí)度為0.98，飽和度為85%，實(shí)際工程中應(yīng)避免此類現(xiàn)象的發(fā)生。

飽和度越大的試樣，含水率相對(duì)較大，含水率是影響凍融的重要因素，水是通過分子間氫鍵形成的，水分子間存在表面張力，而這都是分子間作用力的結(jié)果，所謂的分子間作用力，就是一種電性的吸引力，分子間作用力為取向力、誘導(dǎo)力和色散力。水分子間取向力最大，其次是色散力、誘導(dǎo)力。如表3所示，當(dāng)溫度降低時(shí)，土體表面先凍結(jié)，由于分子間作用力極性分子的電性分布不均勻，一端帶正電，一端帶負(fù)電，形成偶極。因此，當(dāng)兩個(gè)極性分子相互接近時(shí)，由于它們偶極的同極相斥，異極相吸，兩個(gè)分子必將發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。這種偶極子的互相轉(zhuǎn)動(dòng)，就使偶極子的相反的極相對(duì)，叫作“取向”。這時(shí)由于相反的極相距較近，同極相距較遠(yuǎn)，結(jié)果引力大于斥力，兩個(gè)分子靠近，當(dāng)接近到一定距離之后，斥力與引力達(dá)到相對(duì)平衡。土體下部水分便向凍結(jié)鋒遷移，土體凍脹，水在0 ℃附近的密度液態(tài)大于固態(tài)。這是因?yàn)楣虘B(tài)H2O（冰）分子間存在O-H…O氫鍵，使它具有空洞結(jié)構(gòu)，然而融化后水分下移，土體結(jié)構(gòu)遭到破壞，土體孔隙變大，氣壓、水壓等作對(duì)土體強(qiáng)度也產(chǎn)生影響，在剪切過程中，由于土體內(nèi)水分分布不均，壓實(shí)度大的土體水分子間作用力較強(qiáng)，破壞方式主要為塑性破壞，黏聚力與內(nèi)摩擦角相比壓實(shí)度小的土體大，凍融后的土體，含水率小的試樣較含水率大的試樣破壞小，含水率越小，土顆粒間的水分大部分是原位凍結(jié)，隨著含水率的增大，融化后土體與未凍時(shí)狀態(tài)一樣，含水率大，土顆粒間由于水壓起主導(dǎo)作用，黏聚力和內(nèi)摩擦角就減小到最低值。

表3 水分子間作用能的分配

2.2 極差分析

依據(jù)正交試驗(yàn)分析理論對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得到凍融試驗(yàn)前后試樣黏聚力的極差分析如圖5所示，根據(jù)圖5可以看出，基準(zhǔn)試樣的壓實(shí)度極差大于飽和度極差，經(jīng)過凍融后，試樣的壓實(shí)度極差小于飽和度極差。圖6為凍融試驗(yàn)前后試樣內(nèi)摩擦角的極差分析，不論基準(zhǔn)試樣還是凍融試樣，飽和度所產(chǎn)生的極差高于壓實(shí)度，壓實(shí)度對(duì)黏聚力增量產(chǎn)生的極差大于飽和度，誤差分析列所產(chǎn)生的極差均較小，說明凍融前后壓實(shí)度、飽和度對(duì)試樣黏聚力、黏聚力增量均產(chǎn)生較大影響。

圖5 黏聚力極差分析

圖6 內(nèi)摩擦角極差分析

3 結(jié)論

經(jīng)過多次凍融循環(huán)后，黃土的強(qiáng)度變小，壓實(shí)度和飽和度為主要因素，壓實(shí)度大的，飽和度小的試樣表現(xiàn)為脆性破壞，壓實(shí)度小、飽和度大的試樣表現(xiàn)為塑性破壞。

經(jīng)過30次凍融循環(huán)，黃土的黏聚力與內(nèi)摩擦角均減小，壓實(shí)度一定時(shí)，飽和度越大，黏聚力與內(nèi)摩擦角越小。飽和度相同時(shí)，壓實(shí)度越大，黏聚力與內(nèi)摩擦角越大，經(jīng)過凍融后的黃土含水率會(huì)損失1.8%，經(jīng)過30次凍融循環(huán)后，黏聚力減小最大值接近21 kPa，內(nèi)摩擦角減小大約2.1°。